Российские учёные создали метод анализа бактериальных биоплёнок с помощью ИИ и микроскопии

Исследователи Института органической химии имени Зелинского РАН разработали метод изучения биоплёнок как единой сети.

Специалисты Института органической химии имени Зелинского РАН разработали новый подход к изучению бактериальных сообществ. Как сообщается на сайте Российской академии наук, метод позволяет рассматривать биоплёнки не как беспорядочную кучку отдельных клеток, а как единую систему взаимодействий.

Почему это важно? Биоплёнки — главная головная боль современной медицины. Они образуются на катетерах, имплантах, ранах и в лёгких при хронических заболеваниях. Их устойчивость к антибиотикам в сотни и тысячи раз выше, чем у «свободных» бактерий. Традиционные методы изучают микробов поодиночке — и не видят главного: коллективного разума.

Российские исследователи предложили представлять биоплёнку в виде графа — математической модели, где каждая бактерия — это вершина, а взаимодействия между ними — рёбра. Чтобы построить такой граф, используются две мощные технологии: электронная микроскопия (чтобы увидеть клетки) и глубокое обучение (чтобы понять, кто с кем общается).

Сначала нейросеть Mask R-CNN выделяет отдельные бактерии на микрофотографии. Затем модель BINet определяет, взаимодействуют ли они друг с другом. Всё — граф готов.

Что это даёт? По структуре графа можно определить стадию развития биоплёнки и даже тип поверхности, на которой она растёт. А значит — прогнозировать, как поведёт себя бактериальное сообщество через день, неделю или месяц. И, что критически важно, оценивать, насколько эффективно тот или иной антимикробный материал разрушает эту сеть.

Руководитель исследования, академик РАН Валентин Анаников, пояснил: биоплёнку теперь рассматривают как сеть взаимодействующих клеток, а не как набор отдельных бактерий. Это позволяет выявлять структурные закономерности и прогнозировать развитие системы.

Метод масштабируем. Его можно адаптировать для разных типов микроорганизмов и любых поверхностей — от медицинских инструментов до трубопроводов. В будущем учёные планируют добавить к графу химические и генетические данные, чтобы связать структуру биоплёнки с её функциями и устойчивостью.

Практический выход — создание новых антибактериальных материалов, которые бьют не по одной бактерии, а по всей сети сразу. А также более эффективное лечение хронических инфекций и контроль биозагрязнения на промышленных объектах.